软件2013年第34卷 第12期
基于AD9854的某型机载声呐信号仿真系统硬件设计于鑫,刘胜男,王岩
（海军驻沈阳地区航空军事代表室，沈阳 110030）
摘 要：文章介绍了一种机载声呐信号仿真系统的设计方法，该系统采用了利用数字方式实现频率合成技术（即DDS技术）的AD9854芯片，并利用C8051的F系列单片机进行控制，该系统具有输出信号波形种类多、精度高、可程控等特点。文中详细分析了该信号发生器的系统结构、软硬件设计和具体实现电路。
关键字： DDS；AD9854；信号发生器
中图分类号：TP392 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2013.12.020
本文著录格式：[1]于鑫,刘胜男,王岩.基于AD9854的某型机载声呐信号仿真系统硬件设计[J].软件，2013,34(12)：87-
Hardware Design of Airborne Sonar Signal Simulation System Based on AD9854
YU Xin,LIU Sheng-nan,WANG Yan
(Naval aviation military agent's room in shenyang area,Shenyang 110030,China)
【Abstract】This paper describes the design method for airborne sonar signal simulation system, the system uses a frequency synthesizer be achieved using digital technology (ie DDS technology) AD9854 chip, and use the F-Series C8051 MCU control, the system has The output signal waveform types, high precision, programmable features. This paper analyzes the signal generator System architecture, hardware and software design and implementation circuits.
【Keyword】DDS; AD9854; Signal Generator
0 前言
机载声呐信号仿真系统主要用于完成航空探潜系统的调试和检验。由于是在机载的环境中，因此对信号仿真系统的体积提出了严格的要求。同时还要满足各种信号特征的要求，能够产生多种形式的信号波形。而能够产生任意波形的信号发生器价格昂贵，不适合工程实际的需求，通过设计产生的信号发生装置，不仅成本低，而且功能强大，可以产生满足各种需要的信号[1,2]。
随着数字集成电路和微电子技术的发展, 直接数字合成技术(DDS)将先进的数字处理技术与方法引入信号合成领域, 优越的性能和突出的特点使其成为现代频率合成技术中的佼佼者。DDS器件采用了高速数字电路和高速D/A转换技术, 具备了频率转换时间短、相对带宽宽、频率分辨率高、输出相位连续和相位可快速程控切换等优点, 可以实现对信号的全数字式调制[4,5]。
C8051Fxxx系列单片机是完全集成的混合信号系统级芯片，具有与8051兼容的微控制器内核，与MCS-51指令集完全兼容 除了具有标准8052的数字外设部件之外，片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其它数字外设及功能部件；内置FLASH程序存储器内部RAM ,大部分器件内部还有位于外部数据存储器空间的RAM ,即XRAM 数模混合的高度集成使得该单片机系统可以方便实现数控及简单信号处理等功能 。本仿真系统运用C8051F005单片机，不仅减少了器件,简化了电路,节约了成本,更使得系统稳定节能,
图一：系统组成框图
方便快捷地输出多种低频信号[3,6]。
1 系统功能与组成
声呐信号仿真系统能够产生多路模拟信号，并要求信号的波形和幅度可调，产生多路数字量信号，而我们这里用的AD9854芯片，主要用于产生频率和幅度可调的模拟量波形信号。共16路输出。其系统组成框图如图一所示：
其中PC机是整个系统的上位机控制部分，上位机软件都在其中，为了使系统小型化，我们选择了基于PC104的嵌入式系统，上位机软件主要由LABWINDOWS编写，具有界面友好、交互性强等优点。整个上位机软件由系统配置面板、参数设置面板、执行显示面板组成。上位机与单片机之间通过RS232口进行通讯，以数据帧的格式进行。
命令控制模块用于解析从上位机传来的数据帧，数据帧的组成为：特征字符+字母+数据+结尾组成。其中特征字符表示一帧字符的开始，用“$”表示，字母表示这帧数据的用途，如‘M’表示配置波特率，‘A’表示幅度设置等等。该模块采用中断方式进行，当有数据传来的时候，调用数据接收模块，接收数据帧，并调用解87
于鑫 等：基于AD9854的某型机载声呐信号仿真系统硬件设计 块+继电器的方式实现。
2 AD9854工作原理
2.1 AD9854简介
AD9854数字合成器是高集成度的器件，它采用先进的
图二：DDS原理框图
DDS技术，片内整合了两路高速、高性能正交D/A转换器通过数字化编程可以输出I、Q两路合成信号。在高稳定度时钟的驱动下，AD9854将产生一高稳定的频率、相位、幅度可编程的正弦和余弦信号，作为本振用于通信，雷达等方面。AD9854的DDS核具有48位的频率分辨率（在300M系统时钟下，频率分辨率可达1uHZ）。输出17位相位截断保证了良好的无杂散动态范围指标。AD9854允许输出的信号
图三：DDS中相位幅度与合成信号的关系
频率高达150MHZ，而数字调制输出频率可达100MHZ。通
过内部高速比较器正弦波转换为方波输出，可用作方便的时钟发生器。
2.2 DDS技术简介
直接数字频率合成器（Direct Digital Synthesizer）是从相位概念出发直接合成所需波形的一种频率合成技术。一个直接数字频率合成器由相位累加器、加法器、波形存储ROM、D/A转换器和低通滤波器（LPF）构成，其原理框图如下：
其中K为频率控制字，P为相位控制字，W为波形控制字，fc为参考时钟频率，N为相位累加器的字长，D为ROM数据位及D/A转换器的字长。相位累加器在时钟fc的控制下以步长K做累加，输出的N位二进制码与相位控制字P、波形控制字W相加后作为波形ROM的地址，对波形进行寻址，波形ROM输出D为的幅度码S(n)经D/A转换器变成阶梯波S(t)，经过低通滤波器平滑后可得到合成的信号波形。合成的信号波形取决于波形ROM中存放的幅度码，因此可以用DDS合成任意波形。
图四：AD9854硬件电路
析函数，解析该帧数据的用途。
控制字产生模块：当需要产生调频或者调幅的波形时，由于AD9854模块采用直接数字调频技术，其波形的输出，靠的是频率控制字实现的。故需要该模块，该模块的算法会在后面讲到。
波形实现模块，及控制AD9854模块实现波形的输出，该模块相当于AD9854的驱动模块，通过时序的控制，完成对AD9854的写操作。
波形放大模块：该模块完成波形的放大输出，采用运放模
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其中正弦信号与相位幅度的关系如图三所示：
3 系统硬件设计
系统硬件主要包括AD9854硬件电路、单片机硬件电路、驱动放大电路和电源电路组成。其中电源电路比较简单，下面就前三部分内容详述一下：
3.1 AD9854电路
电路图如图四所示：
此电路注意其输出为电流形式，注意查看AD9854的datasheet，按照需要输出的电压大小选择合适的电阻值。
于鑫 等：基于AD9854的某型机载声呐信号仿真系统硬件设计
3.2 单片机控制电
路
单片机控制电路完成对AD9854的控制，生产所需的频率控制字，来完成所需波形的输出，其电路图如图五所示：
3.3 驱动放大电路
当输出信号的电压高于AD9854能产生的电压时，需要设计驱动放大电路，这里采用A2004G八路电子开关控制放大倍数，利用继电器实现所需输出的电压，电路如图六所示：
4 总结
文章介绍了一种基于AD9854模块的机载电源系统设计，利用AD9854采用DDS技术的特点，实现了多种模式下的多种波形的信号输出，能够满足机载探潜系统的任务需要。
图六 驱动放大电路原理图
参考文献
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图五：单片机控制电路
